基于邊云協(xié)同的智能吸塵式黑板擦設(shè)計(jì)分析與應(yīng)用探討

方世紀(jì)

（上海師范大學(xué)，上海 200000）

1 基于邊云協(xié)同的智能吸塵式黑板擦設(shè)計(jì)分析

1.1 設(shè)計(jì)原理

1.1.1 邊云協(xié)同

邊云協(xié)同指的是實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算[1]和云計(jì)算[2]的協(xié)同聯(lián)動(dòng)，共同釋放數(shù)據(jù)價(jià)值。目前，邊云協(xié)同的發(fā)展仍處于初期階段，其發(fā)展方向主要有于九大應(yīng)用場(chǎng)景。但是，該技術(shù)并沒有應(yīng)用于教學(xué)設(shè)備領(lǐng)域，通過邊緣計(jì)算在云端提供更接近數(shù)據(jù)源的計(jì)算來減少處理中的延遲，并與云端計(jì)算相結(jié)合實(shí)現(xiàn)邊云協(xié)同，從而創(chuàng)造出安全，便捷，高效的智能吸塵式黑板擦。通過邊緣計(jì)算在云端提供更接近數(shù)據(jù)源的計(jì)算來減少處理中的延遲，并與云端計(jì)算相結(jié)合實(shí)現(xiàn)邊云協(xié)同，這是本文研究的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)。

1.1.2 推薦系統(tǒng)

推薦系統(tǒng)是一種改善缺失值的處理方法。作為智能吸塵式黑板擦的重要組成部分，推薦系統(tǒng)在其中發(fā)揮著重要的作用。設(shè)計(jì)與開發(fā)用于接收用戶反饋的APP，利用推薦系統(tǒng)技術(shù)彌補(bǔ)未參加評(píng)價(jià)用戶的數(shù)據(jù)缺失，再根據(jù)反饋信息進(jìn)行后續(xù)對(duì)黑板擦映射關(guān)系的修正，使智能黑板擦性能的優(yōu)化升級(jí)更加合理化。

1.2 設(shè)計(jì)方案

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，盡管近十年來在新型黑板擦的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面有了一定進(jìn)步，但仍存在兩個(gè)重要方面有待改善。一是改動(dòng)工程較大。例如全自動(dòng)黑板擦[3]需給黑板邊緣裝上滑輪和電機(jī)，成本較高且不易普及。二是耗電過多。單純的吸塵器式黑板擦[4]耗電快，且運(yùn)行不穩(wěn)定，吸塵收效甚微。

對(duì)此，本文提出了以下設(shè)計(jì)方案：一方面，為智能吸塵式黑板擦安裝速度傳感器，利用邊緣計(jì)算得出在智能黑板擦啟動(dòng)后的某一時(shí)間段內(nèi)用戶的相對(duì)速度，并以此為基準(zhǔn)判斷用戶實(shí)時(shí)相對(duì)速度的快慢。利用無線模塊將傳感器接收的數(shù)據(jù)傳送至云端，通過云平臺(tái)處理數(shù)據(jù)，在擦拭速度—吸塵速度映射關(guān)系建立成功的基礎(chǔ)上，建立合適的數(shù)學(xué)模型，精確得出與擦拭速度匹配的吸塵速率，使單片機(jī)輸出不同占空比的PWM波，改變平均電壓以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到擦拭速度和節(jié)能省電的最優(yōu)平衡，實(shí)現(xiàn)智能節(jié)電的效果。

另一方面，在已有的吸塵式黑板擦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，選擇合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)和吸塵裝置，保證吸塵式黑板擦運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定。同時(shí)設(shè)計(jì)與開發(fā)用于接收用戶反饋的APP，利用推薦系統(tǒng)技術(shù)彌補(bǔ)未參加評(píng)價(jià)用戶的數(shù)據(jù)缺失，再根據(jù)反饋信息進(jìn)行后續(xù)對(duì)黑板擦映射關(guān)系的修正。

1.2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示：1-擦體，2-吸塵口，3-集灰罩，4-速度傳感器，5-開關(guān)，6-電源，7-單片機(jī)，8-無線模塊，9-氣流管，10-隔板，11-排氣孔，12-排氣口，13-過濾板，14-吸塵孔，15-泡沫材料，16-集塵箱，17-集塵杯，18-微型吸塵器，19-吸氣孔，20-磁鐵條。

基于邊云協(xié)同的智能吸塵式黑板擦主要由黑板擦，邊云協(xié)同裝置，集塵箱三大構(gòu)件組成。

1.2.2 黑板擦設(shè)計(jì)

黑板擦由開關(guān)（5），電源（6），擦體（1），吸塵口（2），氣流管（9），排氣口（12），磁鐵條（20）組成。

智能黑板擦不工作時(shí)，可通過頂部貼有的磁鐵條20吸附于黑板。

智能黑板擦工作時(shí)，打開開關(guān)（5），通過擦體（1）擦下粉塵，粉塵通過與擦體（1）交替相鄰的吸塵口（2）進(jìn)入集灰罩（3），擴(kuò)大吸塵面積。

1.2.3 集塵箱設(shè)計(jì)

集塵箱（16）由微型吸塵器（18），集灰罩（3），集塵杯（17），排氣孔（11），過濾板（13）組成

在擦體（1）擦下粉塵的同時(shí)，微型吸塵器（18）會(huì)啟動(dòng)帶走粉塵，粉塵依次通過集灰罩（3）、氣流管（9）、吸氣孔（19），而后沉降到集塵杯（17）。集塵箱底部的排氣孔（11）與黑板擦外部排氣口（12）相連，便于排氣。為了保證分離粉塵，集塵箱下部安裝有過濾板（13），氣體由排氣孔（11）排出，經(jīng)過過濾板（13）過濾粉塵，最后從排氣口（12）排出。吸塵完成后，可通過打開吸塵孔（14）倒出粉塵，方便環(huán)保。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.4 邊云協(xié)同裝置設(shè)計(jì)

邊云協(xié)同裝置由速度傳感器（4），單片機(jī)（7），無線模塊（8），云平臺(tái)組成。

邊云協(xié)同裝置工作如圖3所示。速度傳感器（4）可以采集到用戶的擦拭速度并輸出模擬電壓信號(hào)。通過儀表放大器與相關(guān)硬件電路將傳感器信號(hào)放大與調(diào)理，以適合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，能夠把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。在邊緣節(jié)點(diǎn)上進(jìn)一步計(jì)算出相對(duì)速度，并利用無線模塊將數(shù)據(jù)傳送至云平臺(tái)。憑借云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)處理，在擦拭速度—吸塵速度映射表關(guān)系的基礎(chǔ)上，精確計(jì)算出與擦拭速度相匹配的吸塵速度，并下傳邊緣節(jié)點(diǎn)處。經(jīng)過計(jì)算與設(shè)置，使節(jié)點(diǎn)輸出不同占空比的PWM波，以此控制微型吸塵機(jī)（18）的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到節(jié)能省電的效果。

1.2.5 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

電源（6）為可充電式電源；擦體（1）與吸塵口（2）交替相鄰排列，擦拭效率高；吸塵口（2）分為兩個(gè)部分，擦體（1）處吸塵口（2）用于吸附黑板上灰塵，邊側(cè)處吸塵口（2）用于吸附空氣中浮灰；集灰罩（3）附著于吸塵口（2）上方，便于粉塵的初步收集；擦體（1）為可壓縮的海綿體，擦拭效率高；擦體（1）和吸塵體的連接方式為套接式，可之間將擦體（1）套入到吸塵體上，便于清潔、更換；過濾板（13）為桶式自旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)過濾器，電源（6）接通后可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)并儲(chǔ)存塵埃于集塵箱（16）內(nèi)，過濾徹底；吸塵孔（14）和集塵箱（16）可拆卸；智能吸塵式黑板擦內(nèi)部填充有泡沫材料，降低黑板擦運(yùn)行過程中的震動(dòng)程度；智能吸塵式黑板擦外側(cè)部貼有磁鐵條（20），便于懸掛，外壁用隔音材料制成，降低黑板擦運(yùn)行過程中的噪音程度。

圖3 邊云協(xié)同裝置

2 基于邊云協(xié)同的智能吸塵式黑板擦應(yīng)用探討

在應(yīng)用過程中，基于邊云協(xié)同的智能吸塵式黑板擦既解決了板書時(shí)粉筆揚(yáng)塵的問題，又在對(duì)黑板擦改動(dòng)程度較小的情況下達(dá)到了擦拭速度與智能節(jié)電的最優(yōu)平衡；配套APP及時(shí)接收用戶反饋，再利用推薦系統(tǒng)技術(shù)彌補(bǔ)未參加評(píng)價(jià)用戶數(shù)據(jù)的缺失，使智能黑板擦性能的優(yōu)化升級(jí)更加合理化，極大地提高了智能黑板擦擦拭效率，對(duì)實(shí)際教學(xué)過程具有深遠(yuǎn)意義。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)教師大約有1 539萬人。我國(guó)教師每年因上課被迫吸入的粉筆灰大約為200克/人，每年死于肺部疾病、癌癥患者的比例約為20%。隨著教育事業(yè)的不斷發(fā)展，智能吸塵式黑板擦在教育行業(yè)有很好的發(fā)展前景。有數(shù)據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，對(duì)于智能吸塵式黑板擦的市場(chǎng)需求，學(xué)校市場(chǎng)潛在銷量超1 000萬，再加上家庭和辦公等場(chǎng)所的需求，市場(chǎng)潛力巨大。